JP3959815B2

JP3959815B2 - 電池蓄電量検出装置

Info

Publication number: JP3959815B2
Application number: JP33844397A
Authority: JP
Inventors: 義晃菊池
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-12-09
Filing date: 1997-12-09
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2017-12-09
Also published as: JPH11174134A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の蓄電量を検出する電池蓄電量検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動機により全部または一部の車両駆動力を得ている電気自動車（ハイブリッド自動車を含む）は、二次電池（以下、単に電池と記す）を搭載し、この電池に蓄えられた電力により前記の電動機を駆動している。このような電気自動車に特有な機能として、回生制動がある。回生制動は、車両制動時、前記の電動機を発電機として機能させることによって、車両の運動エネルギを電気エネルギに変換し、制動を行うものである。また、得られた電気エネルギは電池に蓄えられ、加速を行う時などに再利用される。したがって、回生制動によれば、従来の内燃機関のみにより走行する自動車においては、熱エネルギとして大気中に放散させていたエネルギを再利用することが可能であり、エネルギ効率を大幅に向上することができる。
【０００３】
ここで、回生制動時に発生した電力を有効に電池に蓄えるためには、電池にそれだけの余裕が必要である。また、車載された熱機関により発電機を駆動して電力を発生し、これを電池に充電することができる形式のハイブリッド自動車においては、電池に蓄えられた電力、すなわち蓄電量を自由に制御できる。よって、前述のようなハイブリッド自動車においては、電池の蓄電量を回生電力を受け入れられるように、また要求があれば直ちに電動機に対して電力を供給できるように、蓄電量は満蓄電の状態（１００％）と、全く蓄電されていない状態（０％）のおおよそ中間付近、例えば５０〜６０％に制御されることが望ましい。したがって、電池の蓄電量を正確に検出することが必要となる。
【０００４】
このような電池、例えばニッケル水素電池の蓄電量（ＳＯＣ）と端子電圧との関係は、図６に示されるような特性となっている。図６において、ＳＯＣが２０％強から８０％弱の領域においては、端子電圧がほとんど変化せず、この変化を外部から検出することはできない。一方、ＳＯＣが２０％付近を含めこれより低い場合、また８０％付近を含めこれより高い場合は、ＳＯＣが変化すれば、この変化が端子電圧の変化として現れる。この変化は、電池外部から検出することが可能である。よって、ＳＯＣが約２０％以下および約８０％以上においては、端子電圧および電池を流れる電流に基づきＳＯＣを算出することが可能となる。この端子電圧と電流によりＳＯＣを算出する方法を以下ＩＶ判定と記し、この領域をＩＶ判定領域と記す。一方、ＳＯＣが約２０％から約８０％の間の領域については、端子電圧の変化を外部から検出できないので、電池に流れた電流を積算してＳＯＣを推定する必要がある。
【０００５】
ハイブリッド自動車においては、電池の充放電が繰り返され、電池のＳＯＣが刻々と変化する。通常このＳＯＣは、電流量を初期値に対して順次積算していき、その時のＳＯＣとして推定している。この積算においては、充電時の電流を正、放電時の電流を負として演算が行われる。この推定値は、充電効率が温度などの環境条件で変化すること、および長い間放置されたときなどの自己放電により、現実のＳＯＣとの間にずれが生じる。
【０００６】
このずれを補正するために、端子電圧および電池を流れる電流に基づきＳＯＣを算出し、算出したＳＯＣが上記ＩＶ判定領域に入ったと推定されると、上記ＳＯＣの推定値を補正する。この補正は、ＳＯＣが低下して２０％に達したときにＳＯＣの推定値を２０％とし、ＳＯＣが増加して８０％に達したときにＳＯＣの推定値を８０％とするものである。
【０００７】
以上に述べたようなＳＯＣ検出方法は、例えば特開平６−５９００３号公報に開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来のＳＯＣ検出方法においては、ＳＯＣが上記ＩＶ判定領域にある間、所定の時間間隔で上記ＳＯＣの推定値の補正を実行してしまう。この補正は、上述したように、実際のＳＯＣが電池の充放電により２０％以下あるいは８０％以上となっていても、２０％あるいは８０％に値が固定されている。従って、補正することにより、かえって実際のＳＯＣと推定値がずれてしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は、前述の課題を解決するためになされたものであり、電池の蓄電量の検出精度が高い電池蓄電量検出装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明にかかる電池蓄電量検出装置は、外部から検出可能な電圧及び電流に基づき二次電池の蓄電量を検出する蓄電量検出手段と、蓄電量検出手段による検出が実行され、電圧及び電流に基づき二次電池の蓄電量を算出し、前記二次電池の蓄電量の変化に伴う二次電池の電圧が変化しない領域と比較して二次電池の電圧の変化が大きい領域を規定する領域規定手段と、を備えた電池蓄電量検出装置であって、蓄電量検出手段による検出が行われた際には、領域規定手段により規定された前記二次電池の蓄電量の変化に伴う二次電池の電圧が変化しない領域と比較して二次電池の電圧の変化が大きい領域を脱するのに十分な量の充電または放電が行われたことを確認する確認手段と、確認手段により確認されるまでは蓄電量検出手段による検出動作を禁止する禁止手段と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、上記電池蓄電量検出装置において、蓄電量検出手段は、さらにｄＴ／ｄｔ特性（Ｔは電池温度、ｔは時間）を利用することを特徴とする。
【００１３】
また、上記電池蓄電量検出装置において、確認手段が所定量の充電または放電を電流積算によって確認するものであることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に従って本発明の実施の形態（以下、実施形態と記す）を説明する。図１には、本発明の充電制御装置が搭載された車両のパワープラントの概略図が示されている。エンジン１０の出力軸１２には、ねじれダンパ１４を介して遊星ギア機構１６のプラネタリギア１８を支持するプラネタリキャリア２０が接続されている。遊星ギア機構１６のサンギア２２とリングギア２４は、それぞれ第１モータジェネレータ２６と第２モータジェネレータ２８のロータ３０，３２に接続されている。第１および第２モータジェネレータ２６，２８は、三相交流発電機または三相交流電動機として機能する。リングギア２４には、さらに動力取り出しギア３４が接続されている。動力取り出しギア３４は、チェーン３６、ギア列３８を介してディファレンシャルギア４０と接続されている。ディファレンシャルギア４０の出力側には、先端に図示しない駆動輪が結合されたドライブシャフト４２が接続されている。以上の構造によって、エンジン１０または第１および第２のモータジェネレータ２６，２８の出力が駆動輪に伝達され、車両を駆動する。
【００１５】
エンジン１０は、アクセルペダル４４の操作量や、冷却水温、吸気管負圧などの環境条件、さらに第１および第２モータジェネレータ２６，２８の運転状態に基づきエンジンＥＣＵ４６によりその出力、回転数などが制御される。また、第１および第２モータジェネレータ２６，２８は、制御装置４８により制御が行われる。制御装置４８は、二つのモータジェネレータ２６，２８に電力を供給し、またこれらからの電力を受け入れる電池（二次電池）５０を含んでいる。本実施形態において、電池５０はニッケル水素電池である。電池５０と第１および第２モータジェネレータ２６，２８との電力のやりとりは、それぞれ第１および第２インバータ５２，５４を介して行われる。二つのインバータ５２，５４の制御は、制御ＣＰＵ５６が行い、この制御は、エンジンＥＣＵ４６からのエンジン１０の運転状態の情報、アクセルペダル４４の操作量、ブレーキペダル５８の操作量、シフトレバー６０で定められるシフトレンジ、電池の蓄電状態、さらに遊星ギア機構１６のサンギアの回転角θｓ、プラネタリキャリアの回転角θｃ、リングギアの回転角θｒなどに基づき、行われる。また、前記遊星ギア機構１６の三要素の回転角は、それぞれプラネタリキャリアレゾルバ６２、サンギアレゾルバ６４およびリングギアレゾルバ６６により検出される。電池に蓄えられた電力、すなわち蓄電量は電池ＥＣＵ６８により算出される。制御ＣＰＵ５６は、前述の諸条件や第１および第２モータジェネレータ２６，２８のｕ相、ｖ相の電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｕ２，Ｉｖ２さらには電池または他方のインバータから供給される、または供給する電流Ｌ１，Ｌ２などに基づき第１および第２インバータ５２，５４のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６，Ｔｒ１１〜Ｔｒ１６を制御する。
【００１６】
遊星ギア機構１６の、サンギアの回転数Ｎｓ、プラネタリキャリアの回転数Ｎｃおよびリングギアの回転数Ｎｒは、サンギアとリングギアのギア比ρとすれば、
【数１】
Ｎｓ＝Ｎｒ−（Ｎｒ−Ｎｃ）（１＋ρ）／ρ ・・・（１）
で示される関係がある。すなわち、三つの回転数Ｎｓ，Ｎｃ，Ｎｒの二つが定まれば、もう一つの回転数が決定する。リングギアの回転数Ｎｒは、車両の速度で決定するので、プラネタリキャリアの回転数Ｎｃすなわちエンジン回転数と、サンギアの回転数Ｎｓすなわち第１モータジェネレータ回転数の一方の回転数が決定されれば、他方が決定される。そして、第１および第２モータジェネレータ２６，２８の界磁電流をその時の回転数に応じて制御して、これらのモータジェネレータを発電機として作用させるか、電動機として作用させるかを決定する。二つのモータジェネレータ２６，２８が、全体として電力を消費している場合は電池５０から電力が持ち出され、全体として発電している場合は電池５０に充電が行われる。たとえば、電池５０の蓄電量が少なくなっていることが電池ＥＣＵ６８により検出された場合、エンジン１０の発生するトルクの一部により二つのモータジェネレータ２６，２８の一方または双方により発電を行い、電池５０への充電を行う。また、電池５０の蓄電量が多くなった場合、エンジンの出力を抑え気味にして、第２モータジェネレータ２８を電動機として作用させ、これの発生するトルクを車両走行用に用いるように制御する。また、制動時においては、二つのモータジェネレータ２６，２８の一方または双方を発電機として動作させ、発生した電力を電池５０に充電する。
【００１７】
自動車の制動は、いつ行われるか予測することは困難であるから、電池５０は、回生制動によって発生した電力を十分受け入れられるような状態にあることが望ましい。一方、エンジン１０の出力だけでは、運転者の所望する加速を得られない場合、第２モータジェネレータ２８を電動機として動作させるために、電池５０はある程度蓄電量を確保していなければならない。従って、電池５０の蓄電量は、電池容量、すなわち電池が蓄えられる最大の電力の半分程度となるように制御されるのが通常である。
【００１８】
特に、エンジンの出力によって発電を行うことにより電池に充電することができるハイブリッド自動車の場合、電池の蓄電量を適切に管理することにより、制動時の回生電力を十分に回収しエネルギ効率を高め、また加速時には運転者の所望する加速を達成することができる。言い換えれば、前記のようなハイブリッド自動車の場合、エネルギ効率を高め、所望の加速などを得るためには、電池の蓄電量（ＳＯＣ）を精度良く検出し、適切に制御することが必要となる。
【００１９】
図２には、本実施形態の概略構成が示されている。図２において、図１と共通する構成要素には、同一の符号を付している。電池５０は、図示するように複数のセルを直列した組電池であり、インバータ５２，５４を介して、モータジェネレータ２６，２８に接続されている。二つのモータジェネレータ２６，２８は遊星ギア機構を含む伝達機構を介してエンジン１０と接続されている。また、電池５０の端子電圧を検出する電圧検出手段としての電圧センサ７０、電池５０に流れる電流を検出する電流検出手段としての電流センサ７２が設けられている。さらに、電池５０の複数箇所に電池温度を検出する温度検出手段としての温度センサ７４が設けられている。温度センサ７４を複数の箇所に設けたのは、電池５０の温度が場所により異なるためである。電圧センサ７０、電流センサ７２および温度センサ７４の出力は、電池ＥＣＵ６８に送られる。電池ＥＣＵ６８では、得られた電圧と電流に基づき、電池のＳＯＣを算出し、また、温度に関する情報を制御ＣＰＵ５６に送出する。制御ＣＰＵ５６は、電池ＥＣＵ６８から送られてきたデータと、エンジンＥＣＵ４６などの各種データを総合して、モータジェネレータ２６，２８の運転状態を決定し、これに応じてインバータ５２，５４の制御を行う。前述したように当該実施形態のハイブリッド自動車においては、電池５０に蓄えられた電力をモータジェネレータ２６，２８が消費する。また、モータジェネレータ２６，２８による回生電力およびエンジンに駆動される発電機としてのモータジェネレータ２６，２８からの電力が、電池５０に供給される。よって、モータジェネレータ２６，２８およびエンジン１０が、電池５０に電力を供給し、または電池の電力を消費する充放電手段として機能する。また、インバータ５２，５４を介してモータジェネレータ２６，２８を制御する制御ＣＰＵ５６およびエンジンＣＰＵ４６は、充放電手段を制御する充放電制御手段として機能する。
【００２０】
本実施形態においては、電池５０のＳＯＣは、電流センサ７２の出力に基づき、電池ＥＣＵ６８で電池に流れた電流を積算して推定している。これは、このＳＯＣの推定値は、充放電を繰り返してゆくうちに、充電効率の変化や自己放電により実際の値とずれてくるので、本実施形態においても較正が行われる。
【００２１】
電池の放電時であれば、図６に示されるように、ＳＯＣが２０％付近まで低下すると、電圧センサ７０により端子電圧の変化が検出できる。従って、電圧センサ７０及び電流センサ７２の出力に基づき、電池ＥＣＵ６８で算出したＳＯＣが、ＩＶ判定領域の下側すなわちＳＯＣが２０％以下に達した時点で、ＳＯＣの推定値を２０％に書き換える。また、充電時であれば、ＳＯＣが８０％付近まで増加すると、やはり電圧センサ７０により端子電圧の変化が検出できる。従って、ＳＯＣの算出値が８０％以上となった時点で推定値を８０％に書き換える。このようにしてＳＯＣの推定値が較正される。よってこの較正制御において、電池ＥＣＵ６８が蓄電量検出手段として機能する。また、このような較正制御が実行されるＩＶ判定領域も電池ＥＣＵ６８で規定され、領域規定手段を構成する。
【００２２】
本発明において特徴的な点は、電池ＥＣＵ６８によるＳＯＣの算出値が、上記ＩＶ判定領域に到達し、ＳＯＣの推定値を一回較正すると、ＳＯＣの推定値がＩＶ判定領域を脱しない限り、再度の較正を実行しない点にある。
【００２３】
図３、４には、本発明にかかる電池蓄電量検出装置の較正動作のフローが示される。図３には、ＳＯＣの算出値がＩＶ判定領域の下限側（２０％以下）に達した場合の動作が、図４には、ＳＯＣの算出値がＩＶ判定領域の上限側（８０％以上）に達した場合の動作がそれぞれ示される。
【００２４】
図３において、ＩＶ下限判定処理が開始されると、電池ＥＣＵ６８によるＳＯＣの算出値が、ＩＶ判定領域の下限（２０％）に達したかが判定される（Ｓ１０）。ここで、下限に達したと判定されるまでは、電池ＥＣＵ６８において、電流積算によるＳＯＣの推定演算が実行される（Ｓ１２）。
【００２５】
一方、Ｓ１０で下限に達したと判定されると、ＳＯＣの推定値を２０％に補正する較正動作を実行する（Ｓ１４）。
【００２６】
ＳＯＣの推定値を一回補正すると、再び電池ＥＣＵ６８において、電流積算によるＳＯＣの推定演算が実行される（Ｓ１６）。
【００２７】
次に、Ｓ１０において下限判定されてから電池５０が所定量充電し、Ｓ１６におけるＳＯＣの推定演算値がＩＶ判定領域を脱したか、すなわち２０％を超えたかが確認される（Ｓ１８）。この確認も、電池ＥＣＵ６８で実行される。従って、電池ＥＣＵ６８は、確認手段も兼ねている。ここでＩＶ判定領域を脱するまではＳＯＣの推定演算が続行される（Ｓ１６）。
【００２８】
一方、ＳＯＣの推定演算値が２０％を超え、ＩＶ判定領域を脱すると、ＩＶ下限判定処理が最初から繰り返される。
【００２９】
図４においても、図３のフローと基本的には同様の動作が実行される。図４において、まずＩＶ上限判定処理が開始されると、ＳＯＣの算出値が、ＩＶ判定領域の上限（８０％）に達したかが判定される（Ｓ２０）。ここで、上限に達したと判定されるまでは、電池ＥＣＵ６８において、電流積算によるＳＯＣの推定演算が実行される（Ｓ２２）。
【００３０】
一方、Ｓ２０で上限に達したと判定されると、ＳＯＣの推定値を８０％に補正する較正動作を実行する（Ｓ２４）。
【００３１】
ＳＯＣの推定値を一回補正すると、再び電池ＥＣＵ６８において、電流積算によるＳＯＣの推定演算が実行される（Ｓ２６）。
【００３２】
次に、Ｓ２０において下限判定されてから電池５０が所定量放電し、Ｓ２６におけるＳＯＣの推定演算値がＩＶ判定領域を脱したか、すなわち８０％を下回ったかが電池ＥＣＵ６８によって判定される（Ｓ２８）。ここでＩＶ判定領域を脱するまではＳＯＣの推定演算が続行される（Ｓ２６）。
【００３３】
一方、ＳＯＣの推定演算値が８０％を下回り、ＩＶ判定領域を脱すると、ＩＶ上限判定処理が最初から繰り返される。
【００３４】
図５には、図４に示されたＩＶ上限判定処理の実行時のＳＯＣの経時変化が示される。図５において、電池５０が充電され、ＳＯＣが増加してゆきＩＶ判定領域の上限に達すると、ＳＯＣの推定値が８０％に補正される。その後、電池５０から所定量放電されるまで、ＩＶ上限判定処理が禁止される。この禁止も、電池ＥＣＵ６８によって行われる。
【００３５】
従って、この間は電池ＥＣＵ６８によるＳＯＣの推定演算のみが実行される。また、確認手段としての電池ＥＣＵ６８により所定量放電されたことが確認されると、再びＩＶ上限判定処理が許可される。
【００３６】
なお、電池５０には、温度センサ７４が設けられているので、電池の温度変化によりＳＯＣを推定することもできる。すなわち、電池５０のＳＯＣが１００％となると、ｄＴ／ｄｔの値が急激に上昇する。従って、電池ＥＣＵ６８に入力される温度センサ７４の温度検出結果から、電池ＥＣＵ６８でｄＴ／ｄｔの値を演算すれば、ＳＯＣが１００％となったことを検出できるので、これによりＳＯＣの推定値を補正できる。
【００３７】
以上のように、本発明によれば、電池のＳＯＣを精度良く検出することができる。なお、本実施形態においては、ハイブリッド自動車に搭載された電池を例にあげ説明したが、本発明はどのような用途の電池であっても適用可能である。また、本実施形態のニッケル水素電池に限らず、リチウムイオン電池、ニッケルカドミウム電池、鉛電池などにも適用可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＩＶ判定領域の上限または下限でＳＯＣの推定値を一回補正した後、ＩＶ判定領域を脱するのに十分な量の充電または放電が行われるまで再度の補正を行わないので、ＳＯＣの推定値の誤差が発生することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハイブリッド自動車の駆動系の概略構成を示す図である。
【図２】本発明にかかる電池蓄電量検出装置の実施形態の概略構成を示す図である。
【図３】図２に示された実施形態のＩＶ下限判定処理の動作のフロー図である。
【図４】図２に示された実施形態のＩＶ上限判定処理の動作のフロー図である。
【図５】図４に示されたＩＶ上限判定処理時のＳＯＣの経時変化を示す図である。
【図６】ニッケル水素電池の充電量に対する端子電圧の特性を示す図である。
【符号の説明】
１０エンジン、２６第１モータジェネレータ、２８第２モータジェネレータ、４６エンジンＥＣＵ、５０電池、５２第１インバータ、５４第２インバータ、５６制御ＣＰＵ、６８電池ＥＣＵ、７０電圧センサ、７２電流センサ、７４温度センサ。

Claims

外部から検出可能な電圧及び電流に基づき二次電池の蓄電量を検出する蓄電量検出手段と、前記蓄電量検出手段による検出が実行され、電圧及び電流に基づき二次電池の蓄電量を算出し、前記二次電池の蓄電量の変化に伴う二次電池の電圧が変化しない領域と比較して二次電池の電圧の変化が大きい領域を規定する領域規定手段と、を備えた電池蓄電量検出装置であって、
前記蓄電量検出手段による検出が行われた際には、前記領域規定手段により規定された前記二次電池の蓄電量の変化に伴う二次電池の電圧が変化しない領域と比較して二次電池の電圧の変化が大きい領域を脱するのに十分な量の充電または放電が行われたことを確認する確認手段と、
前記確認手段により確認されるまでは前記蓄電量検出手段による検出動作を禁止する禁止手段と、を備えることを特徴とする電池蓄電量検出装置。
請求項１に記載の電池蓄電量検出装置において、前記蓄電量検出手段は、さらにｄＴ／ｄｔ特性（Ｔは電池温度、ｔは時間）を利用することを特徴とする電池蓄電量検出装置。
請求項１に記載の電池蓄電量検出装置において、前記確認手段が所定量の充電または放電を電流積算によって確認するものであることを特徴とする電池蓄電量検出装置。